導(dǎo)語：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)CAN-bus通信網(wǎng)絡(luò)搭建原則一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：CAN-bus技術(shù)已經(jīng)成為主流現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一?；贑AN-bus網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于其電磁干擾大，運(yùn)行環(huán)境惡劣，不僅要求設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)，還要求有一個(gè)健壯的can-bus通信網(wǎng)絡(luò)。文章結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)CAN-bus控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)提出了總體搭建原則,詳細(xì)分析了CAN-bus的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)劣勢(shì)，列舉現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用常見的布線方式，電纜選型、終端電阻安裝方式及地線處理，形成了一套可行的CAN通信網(wǎng)絡(luò)搭建的規(guī)則。

關(guān)鍵詞：CAN-bus；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌徊季€方式；終端電阻；CANGND

隨著CAN-bus技術(shù)的發(fā)展，以CAN-bus為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用在工業(yè)控制、軌道交通、航天航空、煤礦、酒店管理等各種場(chǎng)合。CAN-bus總線的控制系統(tǒng)已經(jīng)是當(dāng)今主流工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)之一，小至傳感器、傳動(dòng)控制裝置、數(shù)字量、模擬量I/O設(shè)備，大到整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控信號(hào)的集中設(shè)備，無不例外都可以看到CAN-bus的身影。復(fù)雜環(huán)境的工業(yè)環(huán)境中不但要求設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)，還要依托一個(gè)穩(wěn)定、可靠擴(kuò)展性強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò)，兩者相輔相成才能使控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)可以為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的保障，甚至忘記它的存在，通信網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

1CAN-bus搭建原則

組建一個(gè)基于CAN-bus的控制系統(tǒng)，意味著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有信息通過CAN總線實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇偪刂破?，同樣總控制器的控制命令通過CAN總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，由此看出CAN通信網(wǎng)絡(luò)搭建是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工程決定著系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。CAN控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建應(yīng)在早期必須給予重視，做到網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)先行。網(wǎng)絡(luò)搭建工作需做好以下幾個(gè)步驟：首先，對(duì)控制系統(tǒng)充分分析和確定需求；其次，在確定需求的基礎(chǔ)上制定系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)，包括采用哪些設(shè)備、設(shè)備配置、應(yīng)用開發(fā)和設(shè)備管理等；然后，根據(jù)應(yīng)用需求的節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定設(shè)備型號(hào)選擇、布線方式、接線方式、電纜選擇、軟件配置；最后階段才為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

2CAN-bus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1總線型拓?fù)?/p>

CAN-bus典型結(jié)構(gòu)是總線形拓?fù)?，所有?jié)點(diǎn)的CAN接口都連接到總線上，此時(shí)總線為所有節(jié)點(diǎn)提供公共信道。典型的CAN總線形拓?fù)錇橹鞲?分支結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，各節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載比較均衡，可靠性高，易于擴(kuò)展（增加和減少節(jié)點(diǎn)單元比較方便）；缺點(diǎn)：由于信號(hào)在傳輸采用共享信道，因此需要處理多節(jié)點(diǎn)總線競(jìng)爭的問題。

2.2星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在某些特殊情況下，CAN-bus網(wǎng)絡(luò)也會(huì)采用星形拓?fù)?，環(huán)形拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)。典型的星型結(jié)構(gòu)如圖2所示，但是，不推薦現(xiàn)場(chǎng)直接使用圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，強(qiáng)烈建議使用圖3改進(jìn)型的星形組網(wǎng)方式：利用一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)集線器作為星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心點(diǎn)，所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過集線器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和路由，不但能夠有效隔離子網(wǎng)絡(luò)的干擾，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，還能增加通信距離，需注意設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)需考慮通道間報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用于冗余系統(tǒng)，要求CAN環(huán)型網(wǎng)絡(luò)正常工作且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)斷開某處時(shí)也能正常工作。在實(shí)際應(yīng)用中CAN網(wǎng)絡(luò)斷開的位置是不確定的，詳見圖4，因此終端電阻合理的安裝方式應(yīng)當(dāng)是：主控節(jié)點(diǎn)安裝單終端電阻120，其他節(jié)點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)電阻Rct，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電阻不一定相等，但最小阻值要求大于120，當(dāng)所有Rct以及終端電阻接入后CAN_H，CAN_L之間的電阻值為60左右時(shí)效果最佳。

3CAN-bus布線方式

3.1“手牽手”式

手牽手布線常用于簡單網(wǎng)絡(luò)，是總線的一種基本布線方式。網(wǎng)絡(luò)中上一個(gè)設(shè)備僅與下一個(gè)設(shè)備相連，可以形象的看成“手拉著手”，示意圖如圖6。這種布線方式下，支線長度為零，可看成只有主干線的總線形網(wǎng)絡(luò)。需要注意，網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的總線連接器必須是可拆卸式的連接器，當(dāng)拆下設(shè)備時(shí)，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的通信。布線時(shí)，終端電阻必須合理安裝，常要求在首尾兩端分別安裝一個(gè)阻值為120的終端電阻，不能只接單端或完全不接。

3.2“T型”連接

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中最常采用“T型”連接的布線方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的T型連接器使得布線變得十分容易和輕松。布線之前首先要確定總線波特率下對(duì)應(yīng)最大電纜距離，表1中列舉了三種波特率與電纜長度的關(guān)系。所謂最大電纜長度，并不特指干線長度，而是網(wǎng)絡(luò)上任意兩個(gè)設(shè)備間最大的長度。大多數(shù)情況下，最大距離為終端電阻之間的距離。在確定最大電纜長度后，第二步須確認(rèn)支線累積長度，如果波特率在1Mbps情況下，支線長度不要超過30cm，如果實(shí)際情況無法避免增加分支的長度，可使用中繼器（CAN網(wǎng)橋）延長通信距離，又或者降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊速率。

4電纜的選擇

電纜常用AWG標(biāo)準(zhǔn)來表示它的直徑，電纜參數(shù)詳見表2。眾所周知，越粗的導(dǎo)線具有更好的強(qiáng)度，更低的阻值，然而導(dǎo)線線徑越粗，制作需要的材料越多，這樣會(huì)導(dǎo)致電纜重量更重、安裝更難、成本也更貴。因此，選擇電纜的挑戰(zhàn)在于：保證網(wǎng)絡(luò)通信可靠穩(wěn)定的前提下，使用盡可能小直徑的導(dǎo)線，以減小成本和安裝復(fù)雜度。隨著技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)線的材料不斷改進(jìn)，其性能不斷提高，導(dǎo)線的實(shí)際尺寸可能比標(biāo)稱規(guī)格稍大或者稍小一些。市面上電纜品牌很多，參數(shù)也不盡相同，為了方便用戶選擇，推薦不同總線長度下的電纜規(guī)格，請(qǐng)參考表3。

5終端電阻的安裝

終端電阻用于消除傳輸阻抗不連續(xù)和不匹配，從而提高信號(hào)質(zhì)量。除上述作用外，終端電阻還有另外一個(gè)重要的作用，從收發(fā)器設(shè)計(jì)原理上來看，終端電阻可以確?？偩€快速進(jìn)入隱性電平狀態(tài)并增加抗干擾能力。開放式和密封式終端電阻詳見圖8，建議安裝在干線的末端，型號(hào)為：120，5%，1/4W。密封式終端電阻分為公頭和母頭，安裝在T型分接器上，位于支線的末端。請(qǐng)不要將終端電阻安裝在不可拆卸的設(shè)備上！如果這樣，當(dāng)拆下該節(jié)點(diǎn)，可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信故障，建議使用外部的終端接頭或顯而易見的終端電阻，因?yàn)樗鼈儽葍?nèi)部安裝更容易發(fā)現(xiàn)，更容易安裝。

6CANGND的處理

雖然CAN總線使用兩根信號(hào)線進(jìn)行差分傳輸，實(shí)際使用中參考電位（CAN_GND）對(duì)CAN總線有影響。CAN_GND應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)被接地，需確認(rèn)單點(diǎn)接地，否則會(huì)在CAN_GND線上形成地環(huán)流。CAN網(wǎng)絡(luò)的接地遵循兩個(gè)原則：（1）CAN信號(hào)的參考地（CAN_GND）必須連接，且要接到大地，須保證單點(diǎn)接地。（2）電纜屏蔽層接到大地，也必須保證單點(diǎn)接地。所有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的CAN設(shè)備都應(yīng)具備電氣隔離接口，實(shí)際使用中應(yīng)注意設(shè)備CAN接口是否為電氣隔離接口，通常產(chǎn)品手冊(cè)會(huì)有提及。如果網(wǎng)絡(luò)中連接了一個(gè)沒有電氣隔離的CAN接口，CAN_GND的實(shí)際效果是通過該設(shè)備已經(jīng)接入大地，因此，網(wǎng)絡(luò)中最多只能連接一個(gè)沒有電氣隔離的CAN接口。

7結(jié)語

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)搭建工業(yè)控制系統(tǒng)不可或缺的部分，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求和實(shí)現(xiàn)手段，另一方面要綜合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、近期與遠(yuǎn)期建設(shè)等諸多因素。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中搭建通信網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省后期大量的維護(hù)成本。搭建一個(gè)可靠穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用工程師的挑戰(zhàn)，也是工程師們不斷的追求。

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作者：蔡清龍 帥金泉 石啟杰 單位：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司 廣州思泰信息技術(shù)有限公司